木质材料热物理性质测试装置的研制
发布时间：2017-09-01
木质材料和人造板材料目前广泛用于建筑工程和室内装饰工程上, 其导热系数、导温系数等热物理性质是反映材料质量的重要指标。测试材料热物理性质主要有稳态法和热脉冲法两种。稳态法达到热平衡的时间很长, 而且试件有可能发生化学反应。热脉冲法可以同时测量材料的多种热物理性质,且实验时间较短。目前研究较多的热脉冲测试技术是利用高速高温计或激光偏振仪来测量加热过程中试件内部温度, 设备价格昂贵。我们根据热脉冲法的基本原理,自行研制了一种测试木质材料热学性质的实验装置。设备简单可靠,实验时间短,测试精度较高。[1]
1 实验原理
设有一半无限大物体(如图 1 所示),其在y,z方向的尺寸为无限大。在x>0方向也为无限大物体的导热系数、导温系数、定压比热及密度分别λ、α、С p、ρ。物体的初始温度均匀一致为 t0。如从τ =0 刻开始在 X=0平面处用一个恒定功率的平面热源进行短时间加热,则在加热期间,物体各点温度将持续上升。如在τ= τ 1 时刻停止加热,则加热面的温度将持续下降。设停止加热时(即τ=τ1时),物体内部点 X 处的温度为 t(x,τ 1),停止加热后某一时刻,τ = τ 2 时,加热面(即 X=0平面)的温度为t(x,τ2),则根据理论推导
根据式(1),(2)可知,只要在实验中测得温度 t0、t(x,τ 1)、t(0,τ 2)和热流密度q 的具体值, 即可由式(1 )求得 B ( y ), 并由附录 3 查出 y2值,进而算出导温系数α;然后再代入式(2 ), 即可求出导热系数λ;如能进一步测算出材料的密度ρ,即可由下式求出材料的定压比热С p;[2]
2 实验装置与实验过程
主要由夹紧装置、加热器、温度传感器、可调稳压电源、数据采集系。
统组成为了便于放置加热器和测量温度的热电偶,须将试件分为三块,中间一块试件比较薄,两边的试件比较厚,试件1和试件2之间放置加热器。加热器采用高电阻康铜箔平面加热器,康铜箔厚度仅为 20 μ m,加上保护箔的绝缘薄膜,总共只有 70 μ m。其电阻值稳定,在 0~100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同, 也是 1 0 0 m m ×100mm 的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同,相差在0.1% 以内。
夹紧装置的作用是给试件施加压力,使得试件之间紧密接触。夹紧装置采用螺杆导向压板旋紧式结构, 主要由上、下压板、导向定位螺杆、蝶形螺母等组成。旋紧位于上压板上的四个蝶形螺母即可将试件夹紧。
数据采集系统由传感器、多通道信号巡检仪和微机组成。测温传感器采用直径为 0.1 m m 的铜-康铜热电偶制成。进行实验时,热电偶的测温端布置在试件中心部位。巡检仪采集试件内部的温度信号,通过 RS232 接口传输给计算机。我们用 V B 语言开发了数据采集软件,实验过程中自动对数据进行实时采集、存储、分析计算。
用于实验的试件要求表面平整、厚度一致,对于木材,最好取树的同一部位,同是弦向或径向,以使密度及含水率均匀一致。试件尺寸不可能为半无限大。但只要使试件的尺寸保持一定的比例并且合理控制实验时间就可将有限厚度的试件作为半无限大物体处理。一般要求试件的长和宽是薄试件厚度的8~10倍,厚试件的厚度是薄试件的 3 倍以上。实验应在试件初始温度均匀一致的条件下进行。因此,在未通电加热之前,必须保证薄试件上下表面的温度差小于0.1℃。
在实验过程中,只有当加热器发出的热量尚未传到厚试件的上、下两表面时, 试件才能作为“半无限大”处理, 因此实验必须在规定的时间内完成。根据有关文献介绍,热脉冲法实验控制时间τ k 可用 k 值进行控制：
K 值为试件内热源面发出的热流强度 q在τ时刻引起距离热源面 X 处的温度变化的特征值。在厚试件(x=d)处,当 k 值很大时,说明温度升高(d,τ)很小。根据实验的实际情况,k=1000 已能满足试验要求。控制时间与材料导温系数有关,对于厚度为 40mm 左右的木质材料一般可取τ 1=7 分钟,τ 2=12 分钟。
开始实验时,先将试件放入夹紧装置,正确放置加热器和热电偶,然后运行数据采集软件,接通加热器电源。7 分钟后,停止加热,再过 12 分钟结束实验。数据采集软件自动计算出实验结果。
3 测试实例
利用本实验装置, 对常见树种杨木、云杉、泡桐的热物理性质进行了测试。实验材料基本参数见表 1,实验结果见表 2。实验结果与稳态法(GB10294-88 绝热材料稳态热阻有关特性的测定-防护热板法装置)相比准确度较高。实践表明,本实验装置造价低,测试时间短,测量精度和可重复性高,足以满足工程上应用的需要。是测试木质材料导热系数等热物理性质的理想装置。
摘自：中国计量测控网
